Ученые создали универсальный керамический материал нового поколения

Ученые Университета МИСИС представили новый класс более прочных композитов — боридной керамики. Совместив особые методы нагрева, плавления и охлаждения компонентов, разработчики получили материал, сочетающий в себе металлоподобные и керамоподобные свойства. Он более устойчив к воздействию высоких температур и агрессивных химикатов и обладает высокой электро- и теплопроводностью, поэтому может найти применение в авиа-, приборо- и машиностроении. Технология получения композита также экономически целесообразна для промышленного производства.

«Работы в этом направлении ранее в России не проводились. Учитывая сравнительно низкую себестоимость боридной керамики Fe₂AlB₂ и высокую производительность метода СВС, новый материал может применяться в системах магнитного охлаждения и аккумулирования энергии, а также в технике криогенных (ниже 120 K) температур. Уровень полученных результатов сопоставим с мировым, а по ряду позиций – опережает аналогичные зарубежные разработки в материаловедении, что отвечает потребностям современной промышленности России и Стратегии научно-технологического развития РФ», — рассказал д.т.н., проф. Евгений Левашов, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН.

Традиционно, материалы со слоистой кристаллической структурой используются для производства электронных компонентов, конструкционных материалов, термобарьерных покрытий, имплантатов и протезов. Наиболее известными атомно-слоистыми соединениями являются МАХ-фазы, где M — это переходный металл (например, титан, цирконий, ниобий или ванадий); A — элемент IIIA или IVA подгруппы периодической системы (например, кремний, германий, алюминий, сера или олово); X — углерод или азот.

«Структура МАХ-фаз представляет собой слоистую кристаллическую решетку, где слои атомов различных элементов чередуются друг с другом. Это свойство наделяет их высокой прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям. Схожей структурой обладает группа материалов на основе MAB-фаз — бориды металлов. Состав немного отличается: M — тоже переходный металл (например, молибден, хром, железо или марганец); A — алюминий или цинк; B — бор. Нанослоистые MAB-фазы состоят из подрешетки боридных блоков, чередующихся с монослоем или двойным слоем атомов A металла. Материал сочетает в себе лучшие свойства металлов и керамики, обладая высокой электро- и теплопроводностью и устойчивостью к агрессивной среде», — объяснил к.т.н. Артём Потанин, старший научный сотрудник НУЦ СВС МИСИС-ИСМАН.

Исследователи НИТУ МИСИС создали новый класс боридной керамики на основе MAB-фаз при помощи самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), основанного на протекании быстрой экзотермической реакции между исходными порошковыми компонентами с образованием твердых конечных продуктов. Ученые получили компактные образцы керамики системы железо-алюминий-бор (Fe₂AlB₂) со слоистой структурой. Материал может менять температуру под действием магнитного поля и обладает повышенными значениями твердости и прочности на изгиб, что обусловлено сочетанием низкой остаточной пористости и мелкозернистой структуры.

Материалы на основе MAB-фаз могут применяться в качестве термобарьерного покрытия в высокотемпературных средах, защищая материалы от теплового удара и окисления; как катализатор для синтеза аммиака; для поглощения нейтронов в ядерных реакторах или высокочастотных волн в электротехнических приборах.